岩溶区种植砂糖桔对石灰土有机氮矿化过程的影响

　　摘要：【目的】土壤有機氮矿化是产生无机氮的主要过程，研究岩溶区不同土地利用方式对有机氮矿化过程的影响，为岩溶区农业种植提供理论依据。【方法】选择岩溶区由灰岩和泥晶灰岩发育而来的石灰土作为研究对象，测定土壤的理化性质和碳化学结构，并采用15N同位素标记方法，研究由乔灌地开垦种植砂糖桔后土壤有机质的数量和质量对有机氮矿化速率的影响。【结果】乔灌地开垦种植砂糖桔后，两种石灰土的土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)、钙(Ca)含量、土壤田间持水量(WHC)和pH均显著降低(P<0.05，下同)，钾(K)含量显著增加。灰岩发育的石灰土铁(Fe)、铝(Al)含量和粘粒比例显著增加，泥晶灰岩发育的石灰土Fe、Al含量和粘粒比例无显著变化(P>0.05，下同)。灰岩发育的石灰土碳化学结构变化不显著，泥晶灰岩发育的石灰土烷基碳从21.9%显著增至25.7%，羰基碳从16.0%显著降至13.5%。由灰岩和泥晶灰岩发育成的石灰土有机氮总矿化速率(MNorg)分别由2.96和2.22 mg N/(kg·d)降至0.66和1.05 mg N/(kg·d)，主要归于易利用有机氮矿化速率(MNlab)的降低。灰岩发育的石灰土难利用有机氮矿化速率(MNrec)变化不明显，泥晶灰岩发育的石灰土MNrec由0.36 mg N/(kg·d)提高至0.66 mg N/(kg·d)。泥晶灰岩发育的石灰土MNorg和MNlab主要受控于土壤有机质数量，与SOC和TN含量呈显著正相关;MNrec受有机质结构组成的影响，与烷基碳呈显著正相关。灰岩发育的石灰土MNorg和MNlab除受有机质数量影响外，还受土壤岩性的影响，与Ca含量呈极显著正相关(P<0.01，下同)，与Fe、Al含量和粘粒比例呈极显著负相关。【结论】乔灌地开垦种植砂糖桔导致不同灰岩发育的石灰土有机氮总矿化速率均显著降低，土壤无机氮供应能力减弱。

　　关键词： 岩溶区石灰土;土地利用方式;岩性;矿化速率;有机质质量

　　引言

　　【研究意义】作为植物生长的必需营养元素，土壤氮素限制着陆地生态系统生产力和稳定性(Fu et al.，2019;Hu et al.，2019)。适量的氮能促进植物生长(Sheshbahreh et al.，2019)，但当氮量超过植物需求，不仅对植物无益，还会引起一系列生态环境问题，如温室效应和水体富营养化等(刘玉萍等，2017;曹文超等，2019)。除小分子有机物外，植物吸收利用的氮主要为无机氮(铵态氮和硝态氮)，无外源氮肥投入情况下，土壤有机质矿化是无机氮供应的主要过程(Booth et al.，2005)。因此，研究土壤有机氮矿化能力，有效评估无机氮供应及有效性，对农业种植具有重要现实意义。【前人研究进展】国内外在自然(林地和草地等)和农业(旱地和水田等)生态系统已开展了大量土壤氮转化过程的研究工作(Zhu et al.，2014;Song et al.，2018;李平和郎漫，2020)。由碳酸盐岩发育的石灰性土壤具有富钙、偏碱性、土壤黏重等特点(曹建华等，2004;王世杰和李阳兵，2007)，使得岩溶区土壤氮的转化过程有别于其他地區的土壤。岩溶区林地石灰土的氮矿化速率显著低于林地红壤的矿化速率(Zhu et al.，2016)。在岩溶区，林地土壤氮素的总矿化速率最高，农作物土壤如玉米—大豆和饲草田较低，甘蔗地和桑园中最低(Li et al.，2018)。土地利用方式的改变及不同农田管理措施(施用无机氮肥、有机肥和石灰)会显著影响土壤的物理和化学性质，进而影响土壤氮循环(Zhang et al.，2013)。我国西南岩溶区的碳酸盐出露面积达51万km2，因特殊的地质条件，整个西南岩溶区山地多且土地资源有限，导致贫困地区较多(Jiang et al.，2014)。为了提高经济收入，当地人们经常在坡地毁林种植果树，如柑桔和砂糖桔等。这种土地利用方式的改变可能通过影响土壤性质(有机质数量和质量、微生物活性和数量等)而改变土壤有机氮矿化过程(López-Poma et al.，2020)。人为扰动较少的石灰土包含较多的钙，利于土壤有机质累积，砍伐乔木或灌丛种植果树会降低土壤钙和有机氮含量，可能导致矿化过程下降(文冬妮等，2020)。果树种植过程中常施用有机肥，可能提高土壤活性及有机氮含量而促进矿化过程(Zhang et al.，2012)。【本研究切入点】乔灌地改种砂糖桔不仅改变土壤有机质数量，还改变土壤有机质的化学结构，进而影响土壤有机质的矿化速率。但目前关于土壤有机质数量和化学结构影响矿化过程的研究相对较少。岩溶区石灰土由于存在较大的异质性，不同岩性发育的土壤性质不同，将会影响土壤有机氮矿化过程。【拟解决的关键问题】选择灰岩和泥晶灰岩两种不同岩性发育的石灰土为研究对象，利用15N标记法，测定坡地乔灌开垦种植砂糖桔后土壤有机氮矿化速率的变化，以及土地利用方式发生改变后土壤有机质浓度和化学结构的变化，从土壤有机质的数量和结构角度阐述其对有机氮矿化过程的影响，为岩溶区农业种植提供理论依据。

　　1 材料与方法

　　1. 1 研究区概况

　　采样点位于广西桂林市境内，该地区属于亚热带季风气候，境内四季分明，雨量充沛，平均海拔150 m，年平均降水量1860 mm，年平均蒸发量1038～1566 mm，雨季主要发生在4—7月，年平均气温19.8 ℃。

　　本研究包含土壤类型和土地利用方式两因素，土壤类型包括由灰岩和泥晶灰岩分别发育的土壤，土地利用方式包括乔灌和砂糖桔。灰岩和泥晶灰岩发育的土壤分别位于桂林市灵川县大境乡灯明村(东经110°32′27″，北纬25°12′33″)和雁山区大埠乡长流水村(东经110°22′44″，北纬25°1′36″)。通过前期调查，灯明村和长流水村的砂糖桔种植年限均为4年左右，由灌丛地砍伐焚荒开垦而来，施肥措施基本一致，相对坡度12°～15°。灯明村乔灌植被以檵木(Loropetalum chinensis)为主，同时包括山麻杆(Alchornea davidii)、葛藤(Pueraria lobota)和野葡萄(Amepelopsis sinica)等，该区域地层为泥盆纪上统融县组(D3r)，岩性为灰岩，土层5～25 cm，坡度约12°。长流水村乔灌群落也以檵木为主，包括枫树(Aceraceae)、山麻杆和蔷薇(Rosa multifora)等，地层为泥盆纪上统桂林组(D3g)，岩性为泥晶灰岩，土层5～20 cm，坡度约14°。

　　1. 2 土壤样品采集

　　于2018年12月分别在灯明村和长流水村的乔灌地和砂糖桔地采集土壤样品。乔灌地和砂糖桔地均选择3个样地作为空间重复，样地间隔约100 m，每个样地随机选取3个1 m×1 m的样点，采样深度为0～10 cm，混匀组成1个样品。土壤样品去除根系、石块和植物残体，过2 mm筛，置于密封的保鲜袋中，4 ℃下保存培养。另取一部分样品风干后测定土壤理化性质。

　　1. 3 15N标记试验

　　称取相当于30 g干土重的新鲜土样(过2 mm筛)置于250 mL三角瓶中，在室温25 ℃的室内预培养1 d，分别加入1 mL 15NH4NO3和NH415NO3(丰度均为5%)溶液，加入的铵态氮(NH4+)和硝态氮(NO3-)浓度均达50 mg N/kg。同时加入去离子水，调节土壤含水量至60%的田间持水量(WHC)，用封口膜封住瓶口，并用注射器针头扎3个小孔，便于瓶内外气体交换，置于恒温25 ℃条件下培养。分别在添加标记物后的0.5、24、48和72 h各取3瓶，加入150 mL 2 mol/L KCl溶液，25 ℃、250 r/min下振荡提取1 h，过滤，立即测定提取液中NH4+、NO3-浓度和15N丰度。

　　推荐阅读：采矿工程论文发表哪里可以评职称

期刊VIP网，您身边的高端学术顾问

文章名称： 岩溶区种植砂糖桔对石灰土有机氮矿化过程的影响

文章地址： http://www.qikanvip.com/gongyesheji/55668.html